Thèse présentée par Monica Ciminello

Semi-passive control strategy using piezoceramic patches in non linear commutation architecture for structural-acoustic smart systems

Soutenue le 28 janvier 2010 devant le jury composé de :

Résumé :

De nombreuses recherches sont aujourd’hui consacrées à l’étude et au développement de stratégies de réduction du bruit et des vibrations. Dans le domaine de l’acoustique comme dans le domaine des vibrations, différentes approches peuvent être envisagées. Une tendance actuelle est d’appliquer des techniques actives qui sont reconnues pour être efficaces sur une large bade de fréquence, mais qui souffrent cependant d’une complexité de mise en œuvre et d’une nécessité d’un apport d’énergie extérieur qui rendent ces systèmes peu robustes et potentiellement instables. Les techniques passives, qui utilisent par exemple des matériaux isolants, sont quand à elles très efficaces pour les hautes fréquences mais plus limitées en basse fréquence pour un problème de poids et d’encombrement, ce qui peut être un inconvénient dans certaines applications aéronautiques ou aérospatiales où la légèreté est un paramètre primordial.

Afin de diminuer le bruit engendré par les vibrations des structures, il est possible d’adopter une approche différente basée sur l’utilisation de systèmes semi-passifs. Cette technique, qui sera utilisée dans ce travail, est réalisée grâce des éléments piézo-céramiques collés à la structure et connectés à un circuit électrique de type shunt résonant avec un interrupteur (switch shunt). L’interrupteur permet d’ouvrir et de fermer le circuit électrique à des moments bien précis de façon à maximiser l’atténuation des vibrations. Par rapport aux systèmes actifs, ce type d’approche est relativement simple à mettre en œuvre, robuste et stable. De plus, par rapport aux techniques piézoélectriques purement passives, il n’est pas nécessaire de fournir de l’énergie extérieure au système ni d’accorder précisément les composants électrique pour garder une efficacité sur une bande de fréquence relativement large.

L’objectif du travail est double. Il s’agit de développer un outil de calcul par éléments finis (basé sur les logiciels Matlab et Nastran) pour simuler la réponse dynamique de système couplés élasto-acoustiques amortis grâce à l’utilisation de pastilles piézoélectriques connectées à un circuit de type shunt avec interrupteur. De plus, des expérimentations sont réalisées de façon à tester un dispositif piézoélectrique original et valider certains développements numériques. Une modélisation éléments finis d’une structure élastique couplée à une cavité acoustique est tout d’abord réalisée. Les matrices globales des parties fluide, structure et couplage fluide-structure sont extraites du code de calcul Nastran et sont réassemblées dans Matlab selon la formulation classique non symétrique en termes de déplacement de la structure et de pression dans le fluide. Ensuite, la matrice de couplage électro-mécanique est ajoutée pour prendre en compte les effets piézoélectriques. Enfin, le comportement du circuit résonnant avec interrupteur est modélisé et simulé. Étant donné les temps de commutation très courts, une approche temporelle directe (basée sur le shéma de Newmark) a été utilisée de façon à calculer la réponse transitoire du système couplé. Concernant l’expérimentation, une approche originale basée sur l’utilisation d’un tachymètre et de circuits intégrés CMOS (nécessitant une alimentation de 12 V) a été développée. Une adaptation est également proposée pour l’utilisation simultanée de plusieurs patches piézoélectriques.